DE2301152A1

DE2301152A1 - Supraleitender elektromagnet

Info

Publication number: DE2301152A1
Application number: DE2301152A
Authority: DE
Inventors: Michael Norfolk Biltcliffe; Peter Edward Hanley; James Barry Mckinnon; Wheatley Oxfordshire
Original assignee: OXFORD INSTR CO Ltd
Current assignee: OXFORD INSTR CO Ltd
Priority date: 1972-01-12
Filing date: 1973-01-11
Publication date: 1973-07-19
Also published as: US3839689A; GB1404682A

Description

PATENTANWÄLTE
DR.-PHIL. G. Ν'Γ.ΐ; L- D: -INO. J, DORNER

{? MANCHE N 15

LANDWEHRSTR. 35 · POSTFACH 104

TEL. <08 11) 55 5719

München, den 9. Januar 1973 Anwaltsaktenz.: 29 - Pat. 2

THE OXFORD INSTRUMENT COMPANY LIMITED, Osney Mead, Oxford 0X2 ODX, England

Supraleitender Elektromagnet

Die Erfindung betrifft supraleitende Elektromagneten. Da ein supraleitender Elektromagnet während des Betriebes mit seinem aufgeprägten Dauerstrom eine beträchtliche Zeitdauer arbeitet, während welcher er mindestens teilweise nicht gewartet oder tiberwacht wird, kann es vorkommen, daß aufgrund des Ausströmens oder Entweichens des als Kühlmittel dienenden flüssigen Heliums oder aus irgend einem anderen Grunde die Temperatur der Erregerwicklung des Magneten oder eines Teiles davon ansteigt und normalleitend wird, so daß der in der Wicklung kreisende Strom Wärme erzeugt und einen weiteren Temperaturanstieg bewirkt. Dieser Vorgang kann als Verlöschen (quench ) bezeichnet werden und da in einem supraleitenden Magneten im Magnetfeld eine große Energiemenge gespeichert ist, kann die rasche Vernichtung dieser Energie zu Überspannungen im Magneten führen, wenn das Magnetfeld zusammenbricht, wodurch Überschläge in der Spule verursacht werden können, durch welche die Spule beschädigt wird. Außerdem kann die Spule durch zu starke Temperaturanstiege beschädigt werden, welche eine Verschlechterung der Supraleitungseigenschaften der Spule verursachen können. Da außerdem die die Spule kurz-

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seliließende Verbindung thermisch isoliert ist, kann diese wegen der großen durch sie geleiteten Ströme beim Übergang zum Normallei tungs zustand durchbrennen.

Durch die Erfindung soll also die Aufgabe gelöst werden, Schutzeinrichtungen für einen supraleitenden Elektromagneten gegen die schädlichen Wirkungen beim Verlöschen des Supraleitungszustandes au schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Widerstandszweig zur Erregerwicklung des supraleitenden Elektromagneten parallelgeschaltet ist.

Während des Betriebes des Elektromagneten spielt der Widerstandszweig, keine Rolle und ist auch nicht von irgend einem Strom durchflossen, da er durch die supraleitende Erregerwicklung und die Kurzschlußverbindung der Erregerwicklung kurzgeschlossen ist, wenn der supraleitende Elektromagnet in seinem Zustand des aufgeprägten Dauerstroms arbeitet. Tritt jedoch ein Verlöschen des Supraleitungszustandes auf, so wird in dem Widerstandszweig ein !beträchtlicher Teil der Energie vernichtet.

Der Widerstandszweig kann die Form einer oder mehrerer in Durchlaßrichtung gepolter Dioden haben, die parallel zur Erregerwicklung geschaltet sind. Ist die Erregerwicklung supraleitend, so fließt über die Diode kein Strom, da an der Diode keine Spannung anliegt und die Vorspannung V der Diode in Durchlaßrichtung nicht überwunden wird. Erreicht jedoch die Spannung an der Erregerwicklung oder an der Kurzschlußverbindung den Wert V, so läßt die Diode Strom durch. Die Verwendung einer Diode hat den Vorteil, daß für eine Erregerwicklung des Elektromagneten mit der Induktivität L die Steilheit des Stromabfalls in der Wicklung gleich dem Verhältnis V/L ist. Die Geschwindigkeit der Energievernichtung kann daher duroh Wahl des Wertes von V beeinflußt werden. Die Geschwindigkeit kann vergrößert werden, indem eine Anzahl von Dioden in Reihe geschaltet wird.

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Anstelle dieser Maßnahme oder zusätzlich kann die Erregerwicklung in eine Anzahl von Abschnitten aufgeteilt werden und zu jede» dieser Abschnitte kann ein Widerstand parallelgeschaltet werden. Bezüglich des Verlustes an flüssigem Helium kann eine besondere Schutzwirkung dadurch erzielt werden, daß ein auf das Flüssigkeitsniveau ansprechender Füllstandsanzeiger vorgesehen ist, welcher den Heizer für die supraleitende Kurzsohlußverbindung der Erregerwicklung so steuert, daß hei einem Abfall des Flüssigkeitsspiegels unter einen vorbestimmten Wert der Heizer eingeschaltet wird, um die supraleitende Verbindung in den Normalzustand überzuführen und eine Vernichtung der im Magneten gespeicherten Energie in den Schutzwiderständen oder in der Diode herbeizuführen.

Zweckmäßige Ausgestaltungen bilden im übrigen Gegenstand der anliegenden Patentansprüche. Im folgenden werden Ausführungsbeispieie unter Bezugnahme auf die anliegende Zeichnung beschrieben. Es stellen dar:

Figur 1 eine Schaltung mit Schutzwiderständen für einen supraleitenden Elektromagneten und

Figur 2 eine Schutzeinrichtung für einen supraleitenden Elektromagneten mit einer Diode.

In Figur 1 ist eine Schutzeinrichtung für einen supraleitenden Elektromagneten gegen die schädliche Wirkung eines Erlöschens des Supraleitungszustandes gezeigt. Die Erregerwicklung ist in eine Anzahl gesonderter Wicklungsabschnitte Li, L2, L3 und Lk unterteilt, zu welohen jeweils Widerstände Rl, R2, R3 und Rk parallelgeschaltet sind. Der Dauerstrom oder Supraleitungsstrom durch die Erregerwicklung wird über eine supraleitende Kurzsohlußverbindung Si aufrecht erhalten. Während des Betriebes des Magneten fließen keine Ströme über die Widerstände, da der gesamte Dauerstrom über den durch die Wicklungsabsohnitte Ll, L2, L3 und L4 sowie über die Kurzschlußverbindung Sl gebildeten Strompfad verläuft, wobei auch sämtliche Verbindungen zwischen

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den genannten Teilen des Strompfades supraleitend sind und daher an diesen Bauteilen keine Spannungen anliegen. Geht jedoch irgend ein Teil des Stromkreises in den normalen Leitungszustand über, so erscheint an dem betreifenden Widerstand oder an den Widerständen, welche zu dem betreffenden Teil der Schaltung parallelliegen, eine Spannung und der Widerstand wird von Strom durchflossen. Die maximale, an irgend einem Widerstand erscheinende Spannung ist daher dem Produkt aus dem Dauerstrom oder Supraleiterstrom I und der Größe des Widerstandes gleich und dieser Maximalwert kann so eingestellt werden, daß er niedrig genug ist, um irgend einen Überschlag an einem Teil der Spule zu verhindern. Da fernerhin mindestens ein Teil der in dem Magneten gespeicherten Energie in den Widerständen vernichtet wird, können die Widerstände eine Überhitzung der Wicklung verhindern. Auch die Kurzschlußverbindung Sl wird durch die Widerstände geschützt, da bei einem Übergang dieser Kurzschlußverbindung in den normalen Leitungszustand die gesamte Widerstandskette einen zusätzlichen Weg für den Strom bildet.

Während bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel eine Unterteilung der Erregerwicklung des Magneten in vier Abschnitte gezeigt ist, kann auch eine größere oder geringere Zahl von Abschnitten zweckmäßig sein.

Eine andere Ausführungsform einer Einrichtung zum Schutz eines supraleitenden Elektromagneten ist in Figur 2 gezeigt. Die Erregerwicklung des Elektromagneten trägt allgemein den Bezugsbuchstaben L und parallel zu der Erregerwicklung ist eine Hoohleistungssiliziumdiode D geschaltet, welche in Durchlaßrichtung mit Bezug auf den durch die Wicklung L fließenden Strom gepolt ist. Der Supraleitungsstrom oder Dauerstrom durch die Erregerwicklung L wird über die Kurzschlußverbindung Sl aufrecht erhalten. Bei normalem Betrieb des Elektromagneten erscheint an der Wicklung L keine Spannung und demgemäß fließt auch kein Strom über die Diode D, da die Vorspannung V in Durchlaßrichtung nioht überwunden wird. Entsteht an irgend einem Teil des Stromkreises für den

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Dauerstrom oder Supraleitungsstrom ein Fehler, welcher zur Erzeugung einer über dem Vert V liegenden Spannung führt, so läßt die Diode D Strom durch. Aufgrund der nichtlinearen Eigenschaften der Diode steigt die Spannung an der Diode nicht wesentlich über den Wert V an, gleichgültig, wie groß der Strom durch die Diode ist. Durch dieses Verhalten der Diode ist sichergestellt, daß der Dauerstrom mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit oder Steilheit abfällt, welche durch das Verhältnis V/L gegeben ist. Die Geschwindigkeit des Stromabfalles kann vergrößert werden, indem mehrere Dioden in Serie geschaltet werden.

Als weitere Schutzmaßnahme kann die energievernichtende Wirkung der Diode D selbsttätig immer dann eingesetzt werden, wenn der Spiegel des flüssigen Heliums im Kryostaten unter einen bestimmten Wert abfällt. Hierzu ist in dem Kryostaten ein Füllstandsanzeiger 21 vorgesehen, welcher über ein Relais einen Schalter S2 dann betätigt, wenn der Spiegel des flüssigen Heliums unter einen vorbestimmten Wert absinkt. Der Schalter S2 liegt in dem Stromkreis zur Speisung eines Heizers H für die supraleitende Kurzschlußverbindung Sl. Die Betätigung des Heizers H kann beschleunigt werden, indem an die Speiseleitung zum Heizer ein Kondensator C gelegt wird und dieser Kondensator über einen Serienwiderstand R geladen wird.

Im Betrieb der soeben beschriebenen Einrichtung wird der Schalter S2 geschlossen, sobald der Flüssigkeitsspiegel des flüssigen Heliums unter den vorbestimmten Wert abfällt, was durch den Füllstandsanzeiger 21 gemeldet wird, so daß der Heizer H die als Schalter wirksame Kurzschlußverbindung Sl aufheizt, wobei der Kondensator C entladen wird und die supraleitende Kurzschlußverbindung Sl in den normalen Leitungszustand gebracht wird. Der Dauerstrom oder Supraleiterstrom erzeugt hierbei Verluste in der Diode D.

Es sei bemerkt, daß die zur Entregung oder Entladung des Magneten erforderliche Zeit umgekehrt proportional zu dem Wert V ist,

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während die als Wärme abgehende Verlustleistung an der Diode proportional zu V ist. Die gesamte Wärmeabgabe und damit die Menge an flüssigem Helium, welche während der Entladung oder Entregung verloren geht, ist daher proportional zu V.

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Claims

Patentansprüche

ί I. j Supraleitender Elektromagnet mit einer aus Supraleiterwerkstoff bestehenden Erregerwicklung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Widerstandszweig (Rl, R2, R3, Rk bzw. D) zur Erregerwicklung (Ll, L2, L3, L4 bzw. L) parallelgesohaltet ist.
2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwicklung in eine Anzahl von in Reihe geschalteten Abschnitten (Ll, L2, L3, L4) unterteilt ist und daß zu jedem der Schnitte ein zugehöriger Widerstandszweig (Rl, R2, R3, R4) parallel liegt.
3. Elektromagnet naoh Anspruch 1 oder 2, bei welchem die Erregerwicklung in einem Kryostat angeordnet und mittels einer Supraleiterverbindung kurzgeschlossen ist, welche von einem Heizorgan bis zum Erreichen des normalen Leitungszustandes erwärmbar ist, gekennzeichnet durch einen Füllstandsanzeiger (21), welcher eine Einschaltung des Heizorganes (H) bewirkt, wenn die Kryostat!lüasigkeit, insbesondere das flüssige Helium, unter ein bestimmtes Niveau abfällt.
4. Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der bzw. jeder Widerstandszweig eine Diode oder mehrere in Reihenschaltung gelegte Dioden (D) in Durchlaßrichtung gepolt enthält.

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